Gallium oxide គ្រីស្តាល់តែមួយ និងបច្ចេកវិទ្យាការលូតលាស់ epitaxial

ឧបករណ៍ semiconductors ធំទូលាយ (WBG) តំណាងដោយ silicon carbide (SiC) និង gallium nitride (GaN) បានទទួលការចាប់អារម្មណ៍យ៉ាងទូលំទូលាយ។ មនុស្សមានការរំពឹងទុកខ្ពស់ចំពោះការរំពឹងទុកនៃការប្រើប្រាស់ស៊ីលីកុនកាបូននៅក្នុងរថយន្តអគ្គិសនី និងបណ្តាញអគ្គិសនី ក៏ដូចជាការរំពឹងទុកនៃការប្រើប្រាស់ហ្គាលីញ៉ូមនីត្រាតក្នុងការសាកថ្មលឿន។ ក្នុងរយៈពេលប៉ុន្មានឆ្នាំចុងក្រោយនេះ ការស្រាវជ្រាវលើសម្ភារៈ Ga2O3, AlN និងពេជ្របានធ្វើឱ្យមានការវិវឌ្ឍន៍គួរឱ្យកត់សម្គាល់ដែលធ្វើឱ្យសម្ភារៈ semiconductor bandgap ធំទូលាយត្រូវបានផ្តោតការយកចិត្តទុកដាក់។ ក្នុងចំនោមពួកគេ ហ្គាលលីយ៉ូមអុកស៊ីដ (Ga2O3) គឺជាសម្ភារៈ semiconductor ultra-wide-bandgap ដែលកំពុងលេចចេញជារូបរាងដែលមានគម្លាតក្រុមតន្រ្តី 4.8 eV ដែលជាកម្លាំងផ្នែកបំបែកទ្រឹស្តីនៃប្រហែល 8 MV cm-1 ល្បឿនតិត្ថិភាពប្រហែល 2E7cm s-1 ។ និងកត្តាគុណភាព Baliga ខ្ពស់នៃ 3000 ទទួលបានការចាប់អារម្មណ៍យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងវាលនៃតង់ស្យុងខ្ពស់និងខ្ពស់ អេឡិចត្រនិចថាមពលប្រេកង់។

1. លក្ខណៈសម្ភារៈ Gallium oxide

Ga2O3 មានគម្លាតក្រុមតន្រ្តីធំ (4.8 eV) ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងសម្រេចបានទាំងសមត្ថភាពទប់ទល់នឹងតង់ស្យុងខ្ពស់ និងថាមពលខ្ពស់ ហើយអាចមានសក្តានុពលសម្រាប់ការសម្របខ្លួននៃតង់ស្យុងខ្ពស់នៅភាពធន់ទាបដែលធ្វើឱ្យពួកគេក្លាយជាចំណុចសំខាន់នៃការស្រាវជ្រាវបច្ចុប្បន្ន។ លើសពីនេះ Ga2O3 មិនត្រឹមតែមានលក្ខណៈសម្បត្តិសម្ភារៈដ៏ល្អឥតខ្ចោះប៉ុណ្ណោះទេ ប៉ុន្តែថែមទាំងផ្តល់នូវភាពខុសគ្នានៃបច្ចេកវិទ្យា doping n-type ដែលអាចលៃតម្រូវបានយ៉ាងងាយស្រួល ក៏ដូចជាការរីកលូតលាស់នៃស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានតម្លៃទាប និងបច្ចេកវិទ្យា epitaxy ផងដែរ។ រហូតមកដល់ពេលនេះ ដំណាក់កាលគ្រីស្តាល់ចំនួនប្រាំផ្សេងគ្នាត្រូវបានរកឃើញនៅក្នុង Ga2O3 រួមមាន corundum (α), monoclinic (β), spinel ខូច (γ), cubic (δ) និង orthorhombic (ɛ) phases ។ ស្ថេរភាពកម្ដៅគឺតាមលំដាប់ γ, δ, α, ɛ និង β ។ វាគួរឱ្យកត់សម្គាល់ថា monoclinic β-Ga2O3 មានស្ថេរភាពបំផុតជាពិសេសនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ខណៈពេលដែលដំណាក់កាលផ្សេងទៀតអាចរំលាយបាននៅខាងលើសីតុណ្ហភាពបន្ទប់ហើយមានទំនោរផ្លាស់ប្តូរទៅជាដំណាក់កាលβក្រោមលក្ខខណ្ឌកំដៅជាក់លាក់។ ដូច្នេះហើយ ការអភិវឌ្ឍន៍ឧបករណ៍ដែលមានមូលដ្ឋានលើ β-Ga2O3 បានក្លាយជាការផ្តោតសំខាន់ក្នុងវិស័យអេឡិចត្រូនិចថាមពលក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ។

តារាងទី 1 ការប្រៀបធៀបនៃប៉ារ៉ាម៉ែត្រសម្ភារៈ semiconductor មួយចំនួន

រចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់នៃ monoclinicβ-Ga2O3 ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងតារាងទី 1 ។ ប៉ារ៉ាម៉ែត្របន្ទះរបស់វារួមមាន a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å និង β = 103.8° ។ កោសិកាឯកតាមានអាតូម Ga(I) ជាមួយនឹងការសម្របសម្រួល tetrahedral twisted និងអាតូម Ga(II) ជាមួយនឹងការសម្របសម្រួល octahedral ។ មានការរៀបចំចំនួនបីផ្សេងគ្នានៃអាតូមអុកស៊ីសែននៅក្នុងអារេ "twisted cubic" រួមទាំងអាតូម O(I) និង O(II) ដែលសំរបសំរួលត្រីកោណពីរ និងអាតូម O(III) ដែលសំរបសំរួល tetrahedrally មួយ។ ការរួមបញ្ចូលគ្នានៃការសំរបសំរួលអាតូមិកទាំងពីរប្រភេទនេះនាំទៅដល់ anisotropy នៃ β-Ga2O3 ជាមួយនឹងលក្ខណៈសម្បត្តិពិសេសនៅក្នុងរូបវិទ្យា ការច្រេះគីមី អុបទិក និងអេឡិចត្រូនិច។

រូបភាពទី 1 ដ្យាក្រាមរចនាសម្ព័ន្ធនៃគ្រីស្តាល់ monoclinic β-Ga2O3

តាមទស្សនៈនៃទ្រឹស្ដីក្រុមថាមពល តម្លៃអប្បបរមានៃខ្សែបញ្ជូននៃ β-Ga2O3 គឺបានមកពីស្ថានភាពថាមពលដែលត្រូវនឹងគន្លងកូនកាត់ 4s0 នៃអាតូម Ga ។ ភាពខុសគ្នានៃថាមពលរវាងតម្លៃអប្បបរមានៃក្រុម conduction និងកម្រិតថាមពលទំនេរ (ថាមពលភាពស្និទ្ធស្នាលអេឡិចត្រុង) ត្រូវបានវាស់។ គឺ 4 eV ។ ម៉ាស់អេឡិចត្រុងដែលមានប្រសិទ្ធភាពនៃ β-Ga2O3 ត្រូវបានវាស់ជា 0.28-0.33 me និងចរន្តអេឡិចត្រូនិចអំណោយផលរបស់វា។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ អតិបរមានៃក្រុម valence បង្ហាញខ្សែកោង Ek រាក់ជាមួយនឹងកោងទាប និងគន្លង O2p ដែលត្រូវបានធ្វើមូលដ្ឋានីយកម្មយ៉ាងខ្លាំង ដែលបង្ហាញថារន្ធត្រូវបានធ្វើមូលដ្ឋានីយកម្មយ៉ាងជ្រៅ។ លក្ខណៈទាំងនេះបង្កឱ្យមានបញ្ហាប្រឈមដ៏ធំមួយដើម្បីសម្រេចបាននូវសារធាតុ doping ប្រភេទ p នៅក្នុង β-Ga2O3 ។ ទោះបីជាថ្នាំ P-type អាចសម្រេចបានក៏ដោយ ក៏ប្រហោង μ នៅតែស្ថិតក្នុងកម្រិតទាបបំផុត។ 2. ការរីកលូតលាស់នៃគ្រីស្តាល់តែមួយ gallium oxide ច្រើន រហូតមកដល់ពេលនេះ វិធីសាស្ត្រលូតលាស់នៃស្រទាប់ខាងក្រោមគ្រីស្តាល់ β-Ga2O3 ភាគច្រើនជាវិធីសាស្ត្រទាញគ្រីស្តាល់ ដូចជា Czochralski (CZ) វិធីសាស្ត្រផ្តល់អាហារដល់ខ្សែភាពយន្តស្តើងដែលកំណត់ដោយគែម (គែម -កំណត់ដោយខ្សែភាពយន្តដែលផ្តល់ចំណី , EFG), Bridgman (rtical ឬផ្ដេក Bridgman, HB ឬ VB) និងតំបន់អណ្តែតទឹក (តំបន់អណ្តែតទឹក, FZ) បច្ចេកវិទ្យា។ ក្នុងចំណោមវិធីសាស្រ្តទាំងអស់ វិធីសាស្រ្តចិញ្ចឹម Czochralski និងទម្រង់ស្តើង-កំណត់ដោយគែម ត្រូវបានគេរំពឹងថាជាមធ្យោបាយដ៏ជោគជ័យបំផុតសម្រាប់ការផលិត wafers β-Ga 2O3 ដ៏ច្រើននាពេលអនាគត ព្រោះពួកគេអាចសម្រេចបានបរិមាណច្រើន និងដង់ស៊ីតេទាបក្នុងពេលដំណាលគ្នា។ រហូតមកដល់ពេលនេះ Novel Crystal Technology របស់ប្រទេសជប៉ុនបានដឹងពីម៉ាទ្រីសពាណិជ្ជកម្មសម្រាប់ការលូតលាស់រលាយβ-Ga2O3។

1.1 វិធីសាស្រ្ត Czochralski

គោលការណ៍នៃវិធីសាស្ត្រ Czochralski គឺថាស្រទាប់គ្រាប់ពូជត្រូវបានគ្របដណ្ដប់ដំបូង ហើយបន្ទាប់មកគ្រីស្តាល់តែមួយត្រូវបានទាញចេញពីការរលាយបន្តិចម្តងៗ។ វិធីសាស្រ្ត Czochralski មានសារៈសំខាន់កាន់តែខ្លាំងឡើងសម្រាប់ β-Ga2O3 ដោយសារតែប្រសិទ្ធភាពចំណាយរបស់វា សមត្ថភាពទំហំធំ និងការលូតលាស់ស្រទាប់ខាងក្រោមគុណភាពគ្រីស្តាល់ខ្ពស់។ ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែភាពតានតឹងកម្ដៅកំឡុងពេលកំណើនសីតុណ្ហភាពខ្ពស់នៃ Ga2O3 ការហួតនៃគ្រីស្តាល់តែមួយ វត្ថុធាតុរលាយ និងការខូចខាតដល់ឆ្អឹងដែកនឹងកើតឡើង។ នេះគឺជាលទ្ធផលនៃការលំបាកក្នុងការសម្រេចបាននូវសារធាតុ doping ទាបនៅក្នុង Ga2O3 ។ ការណែនាំបរិមាណអុកស៊ីសែនសមស្របទៅក្នុងបរិយាកាសលូតលាស់គឺជាវិធីមួយដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហានេះ។ តាមរយៈការបង្កើនប្រសិទ្ធភាព β-Ga2O3 ទំហំ 2 អ៊ីញដែលមានគុណភាពខ្ពស់ជាមួយនឹងជួរកំហាប់អេឡិចត្រុងដោយឥតគិតថ្លៃ 10^16~10^19 សង់ទីម៉ែត្រ-3 និងដង់ស៊ីតេអេឡិចត្រុងអតិបរមា 160 cm2/Vs ត្រូវបានដាំដុះដោយជោគជ័យដោយវិធីសាស្ត្រ Czochralski ។

រូបភាពទី 2 គ្រីស្តាល់តែមួយនៃ β-Ga2O3 លូតលាស់ដោយវិធីសាស្ត្រ Czochralski

1.2 វិធីសាស្រ្តចិញ្ចឹមខ្សែភាពយន្តដែលកំណត់ដោយគែម

វិធីសាស្រ្តផ្តល់អាហារដល់ខ្សែភាពយន្តស្តើងដែលកំណត់ដោយគែមត្រូវបានចាត់ទុកថាជាការប្រកួតប្រជែងឈានមុខគេសម្រាប់ការផលិតពាណិជ្ជកម្មនៃសម្ភារៈគ្រីស្តាល់តែមួយ Ga2O3 ដ៏ធំ។ គោលការណ៍នៃវិធីសាស្រ្តនេះគឺដើម្បីដាក់ការរលាយនៅក្នុងផ្សិតជាមួយនឹងរន្ធ capillary ហើយការរលាយកើនឡើងដល់ផ្សិតតាមរយៈសកម្មភាព capillary ។ នៅផ្នែកខាងលើ ខ្សែភាពយន្តស្តើងមួយបង្កើតបាន និងរាលដាលគ្រប់ទិសទី ខណៈពេលដែលត្រូវបានជំរុញឱ្យក្លាយជាគ្រីស្តាល់ដោយគ្រីស្តាល់គ្រាប់ពូជ។ លើសពីនេះ គែមនៃកំពូលផ្សិតអាចត្រូវបានគ្រប់គ្រងដើម្បីផលិតគ្រីស្តាល់នៅក្នុង flakes បំពង់ ឬធរណីមាត្រដែលចង់បានណាមួយ។ វិធីសាស្រ្តចិញ្ចឹមខ្សែភាពយន្តស្តើងដែលកំណត់ដោយគែមរបស់ Ga2O3 ផ្តល់នូវអត្រាកំណើនលឿន និងអង្កត់ផ្ចិតធំ។ រូបភាពទី 3 បង្ហាញដ្យាក្រាមនៃ β-Ga2O3 គ្រីស្តាល់តែមួយ។ លើសពីនេះ ចំពោះមាត្រដ្ឋានទំហំ ស្រទាប់ខាងក្រោម β-Ga2O3 ទំហំ 2អ៊ីញ និង 4អ៊ីញ ជាមួយនឹងតម្លាភាព និងឯកសណ្ឋានល្អ ត្រូវបានគេធ្វើពាណិជ្ជកម្ម ខណៈដែលស្រទាប់ខាងក្រោមទំហំ 6អ៊ីញ ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងការស្រាវជ្រាវសម្រាប់ពាណិជ្ជកម្មនាពេលអនាគត។ ថ្មីៗនេះ សមា្ភារៈដុំគ្រីស្តាល់តែមួយដែលមានរាងជារង្វង់ធំក៏អាចប្រើបានជាមួយនឹងការតំរង់ទិស (−201)។ លើសពីនេះ វិធីសាស្ត្រផ្តល់ចំណីតាមគែម β-Ga2O3 ក៏ជួយជំរុញការបំប្លែងសារធាតុដែកផ្លាស់ប្តូរផងដែរ ដែលធ្វើអោយការស្រាវជ្រាវ និងការរៀបចំ Ga2O3 អាចធ្វើទៅបាន។

រូបភាពទី 3 β-Ga2O3 គ្រីស្តាល់តែមួយដែលលូតលាស់ដោយវិធីសាស្ត្រផ្តល់ចំណីដោយខ្សែភាពយន្តកំណត់គែម

1.3 វិធីសាស្រ្ត Bridgeman

នៅក្នុងវិធីសាស្រ្ត Bridgeman គ្រីស្តាល់ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅក្នុង Crucible ដែលត្រូវបានផ្លាស់ប្តូរបន្តិចម្តង ៗ តាមរយៈជម្រាលសីតុណ្ហភាព។ ដំណើរការអាចត្រូវបានអនុវត្តក្នុងទិសផ្ដេក ឬបញ្ឈរ ជាធម្មតាប្រើ រមូរ Crucible ។ គួរកត់សម្គាល់ថាវិធីសាស្ត្រនេះអាចឬមិនប្រើគ្រាប់គ្រីស្តាល់។ ប្រតិបត្តិករ Bridgman ប្រពៃណីខ្វះការមើលឃើញដោយផ្ទាល់នៃដំណើរការរលាយ និងគ្រីស្តាល់ ហើយត្រូវតែគ្រប់គ្រងសីតុណ្ហភាពជាមួយនឹងភាពជាក់លាក់ខ្ពស់។ វិធីសាស្ត្រ Bridgman បញ្ឈរត្រូវបានប្រើជាចម្បងសម្រាប់ការរីកលូតលាស់នៃ β-Ga2O3 ហើយត្រូវបានគេស្គាល់ថាសម្រាប់សមត្ថភាពលូតលាស់នៅក្នុងបរិយាកាសខ្យល់។ កំឡុងពេលដំណើរការលូតលាស់វិធីសាស្ត្រ Bridgman បញ្ឈរ ការបាត់បង់ម៉ាស់សរុបនៃការរលាយ និង Crucible ត្រូវបានរក្សាទុកនៅក្រោម 1% ដែលអនុញ្ញាតឱ្យមានការលូតលាស់នៃគ្រីស្តាល់ β-Ga2O3 ដ៏ធំជាមួយនឹងការបាត់បង់តិចតួចបំផុត។

រូបភាពទី 4 គ្រីស្តាល់តែមួយនៃ β-Ga2O3 លូតលាស់ដោយវិធីសាស្ត្រ Bridgeman

1.4 វិធីសាស្រ្តតំបន់អណ្តែត

វិធីសាស្រ្តតំបន់អណ្តែតទឹក ដោះស្រាយបញ្ហានៃការចម្លងរោគគ្រីស្តាល់ដោយវត្ថុធាតុឈើឆ្កាង និងកាត់បន្ថយការចំណាយខ្ពស់ដែលទាក់ទងនឹងឈើឆ្កាងអ៊ីនហ្វ្រារ៉េដដែលធន់នឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ ក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការលូតលាស់នេះ ការរលាយអាចត្រូវបានកំដៅដោយចង្កៀងជាជាងប្រភព RF ដូច្នេះការសម្រួលដល់តម្រូវការសម្រាប់ឧបករណ៍លូតលាស់។ ទោះបីជារូបរាង និងគុណភាពគ្រីស្តាល់នៃ β-Ga2O3 ដែលដាំដុះដោយវិធីសាស្រ្តតំបន់អណ្តែតទឹកមិនទាន់មានភាពល្អប្រសើរក៏ដោយ វិធីសាស្ត្រនេះបើកនូវវិធីសាស្រ្តដ៏ជោគជ័យមួយសម្រាប់ការរីកលូតលាស់ β-Ga2O3 ភាពបរិសុទ្ធខ្ពស់ទៅជាគ្រីស្តាល់តែមួយដែលងាយស្រួលថវិកា។